Aantasting van beton door zuren

Zuren zijn agressief voor beton. Aantasting door zwakke en matig sterke zuren gedurende lange tijd kan worden voorkomen. Bij sterke zuren zijn de gebruikelijke betontechnologische maatregelen echter onvoldoende. Wat zijn de factoren die van invloed zijn op de snelheid van deze aantasting? Wat zijn de aanbevolen maatregelen tegen deze zuuraantasting?

Beton wordt onder verschillende toepassingen regelmatig blootgesteld aan zuren, denk hierbij aan agrarische toepassingen en toepassingen in de chemische- en voedingsmiddelenindustrie. Een veelvoorkomende, en specifieke, vorm van aantasting van beton door zuren is de aantasting die plaatsvind in (beton)riolen, de zogenaamde ‘biogene zwavelzuuraantasting’.

In de scheikunde wordt een zuur gedefinieerd als ‘een stof met één of meer waterstofatomen die door metalen vervangbaar zijn’. Verder is een zuur pas zuur wanneer deze stof in water is opgelost. De smaak van zure stoffen kan worden geproefd, zoals bij azijn. Niet alle zuren kunnen, om gezondheidsredenen, worden geproefd. Indicatoren, zoals lakmoes, bieden hierbij uitkomst. Indicatoren zijn stoffen die in een zure oplossing een andere kleur geven dan in een niet-zure oplossing. Niet alle zuren zijn even sterk zuur. De zuursterkte wordt gemeten aan de hand van de pH-waarde, die aangeeft hoeveel waterstofionen er in de oplossing aanwezig zijn. De pH-waarde is gelijk aan de negatieve logaritme van de concentratie waterstofionen (pH = -log[H+]). Bij een neutrale oplossing is de pH-waarde 7. Een zure oplossing heeft een pH < 7 en een basische oplossing heeft een pH > 7.
In nevenstaande tabel is het onderscheid in sterke zuren en zwakke zuren weergegeven.

Sterke zuren zijn volledig gesplitst in een H+-ion en een zuurrest-ion wanneer ze opgelost zijn. Zwakke zuren daarentegen zijn slechts gedeeltelijk gesplitst. Een toename in de concentratie van het zuur zal dus niet automatisch leiden tot een verlaging van de pH-waarde, aangezien het evenwicht in de oplossing bepaalt hoeveel van het zuur daadwerkelijk wordt gesplitst. Daarnaast is er onderscheid tussen anorganische (minerale) zuren en organische zuren.
Anorganische zuren zijn kleine moleculen die geen koolwaterstofatomen bevatten, de sterke zuren zijn meestal anorganisch. Organische zuren daarentegen hebben één of meer koolstofatomen gebonden en bestaan vaak uit grote moleculen met complexe atoomverbindingen. Over het algemeen behoren organische zuren tot de zwakkere soorten van zuren.

Sectoren en toepassing waar zuuraantasting van beton vaak voorkomt:

• Agrarische sector
  In de agrarische sector is het bekend dat kuilvoerplaatsen aangetast kunnen worden door melkzuur en azijnzuur. Deze zuren ontstaan na anaërobe afbraak van vetzuren die aanwezig zijn in de mest tijdens opslag.
• Industrie
  De zwavel- en stikstofverbindingen die vrijkomen bij de industrie reageren met zuurstof en vocht om sterke zuren zoals zwavelzuur en salpeterzuur te vormen.
• Riolering van beton
  Zogenaamde ‘biogene zwavelzuuraantasting’ is een aantasting van het betonoppervlak door zwavelzuur, deze is ontstaan door bacteriële omzetting van sulfiden in zwavelzuur.

Cementbeton is een steenachtig materiaal, gebonden door cementsteen dat wordt gevormd door de chemische reactie tussen cement en water. Bij deze reactie ontstaat calciumsilicaathydraat (CSH), dat het toeslagmateriaal bij elkaar houdt. Cement en water verharden samen tot CSH, naast ongehydrateerd cement, calciumhydroxide en water. Het calciumhydroxide verhoogt de pH-waarde van het poriewater tot meer dan 12,5. In beton neemt cementsteen ongeveer een derde van het volume in beslag. Het toeslagmateriaal vormt het grootste deel van het volume. Het in Nederland gebruikte toeslagmateriaal bestaat grotendeels uit kiezelzuur (SiO2).

Bij aantasting van beton door zuren kan onderscheid worden gemaakt in aantasting door uitloging en oplossing:

• Uitloging ontstaat doordat de concentraties van bepaalde ionen (zoals calcium- en hydroxide-ionen) in het poriewater hoger zijn dan in de omgeving. Hierdoor vindt transport van deze ionen plaats vanuit het beton naar de omgeving als gevolg van concentratieverschillen. Hoewel uitloging niet alleen bij zuuraantasting voorkomt (het kan ook optreden bij pH-neutrale of basische oplossingen), treedt uitloging vrijwel altijd gelijktijdig op met zuuraantasting.
• Oplossing ontstaat doordat het chemisch evenwicht tussen de vaste stof en de omringende (porie)vloeistof verstoord is; dit zorgt ervoor dat de vaste stof oplost.

De algemene reactie van beton bij contact met een zuur, zoals zoutzuur, is dat in eerste instantie de zuur-ionen reageren met de hydroxide-ionen (figuur 1). Watermoleculen worden gevormd door de reactie van hydroxide-ionen en waterstof-ionen. Dit proces staat bekend als neutralisatie, waarbij de zuurgraad van het zuur afneemt. Bij deze neutralisatie daalt de pH van het beton ook.

Bij de reactie met zoutzuur wordt ook calciumchloride gevormd. Om de chemische stabiliteit van het cementsteen te behouden, lost calciumhydroxide op in de oplossing. Zolang de pH van het zuur niet gelijk is aan de basische pH (van 12,5 of hoger) die nodig is om de cementsteen (calciumsilicaathydraten = CaO.SiO2.H2O = CSH) stabiel te houden, zal er calciumhydroxide blijven oplossen in deze oplossing. Als gevolg hiervan neemt de porositeit, en daarmee ook de permeabiliteit, van het cementsteen toe en kan het zuur nog sneller indringen. Wanneer de het calciumhydroxide is uitgeput, vindt aantasting van het CSH plaats. Als resultaat blijft een gel achter die geen bindende werking meer heeft.

Onder invloed van bacteriën kan zwavelwaterstof (H2S) in de gaszone van rioolbuizen oxideren tot het veel sterkere zwavelzuur. Dit zwavelzuur leidt tot een zeer sterke aantasting (zie kader).

De volgende processen zijn te onderscheiden:

• Het proces waarbij anaërobe bacteriën zwavelverbindingen in rioolwater omzetten naar sulfiden.
• Ontgassing van het rioolwater, waarbij de sulfideverbindingen die in het water zijn opgelost worden overgebracht naar gasvorm in de atmosfeer van het rioolstelsel.
• Omzetting van sulfiden naar zwavelzuur door aërobe bacteriën op de vochtige wanden van de buis boven het gemiddelde waterpeil.
• Aantasten van het cementsteen door geconcentreerd zwavelzuur wanneer de pH-waarde daalt tot onder 1. Deze aantasting vindt uiteindelijk plaats door oplossing. Op het oppervlak vormt zich gips, dat vaak als een korst achterblijft. Deze korst heeft een bufferende werking tegen verdere aantasting.

Zacht water bevat weinig of geen kalk en heeft een totale hardheid van minder dan 0,55 mmol/l (ongeveer 30 mg CaO per liter), zoals gedefinieerd volgens NEN 6441. Dit type water maakt het gemakkelijk voor (vrije) kalk om op te lossen uit cementsteen. Zacht water is matig agressief en valt onder milieuklasse XA2 volgens bijlage A van NEN 8005.

De agressiviteit van water neemt toe wanneer er kooldioxide (CO2) in opgelost is, waardoor koolzuurhoudend water ontstaat met een pH van 5,7. Dit zorgt ervoor dat een reeks opvolgende reacties plaatsvindt die uiteindelijk leiden tot de vorming van het gemakkelijk oplosbare calciumbicarbonaat.

De snelheid waarmee en de mate waarin beton door zuur wordt aangetast, worden bepaald door de volgende factoren:

• De aard van het zuur: Sterke zuren zoals zoutzuur, salpeterzuur en zwavelzuur zijn meer destructief dan zwakke zuren zoals melkzuur.
• De concentratie van het zuur: Hogere concentraties van zuren leiden tot snellere en ernstigere beschadiging van beton.
• De duur van blootstelling: Langdurige blootstelling aan zuren zal resulteren in meer schade aan het beton.

De mate van aantasting wordt bepaald door de pH-waarde van de zure vloeistof. NEN-EN 206 heeft daarom milieuklassen XA gedefinieerd voor zuren in grondwater op basis van de pH-waarde en voor grond op basis van het zuurgehalte (tabel 2). Voor betonconstructies die in aanraking komen met zuren is in bijlage AA van NEN 8005 een tabel opgenomen met daarin onder andere de meest voorkomende zuren (tabel 3) en een keuzeschema voor het bepalen van de juiste milieuklasse XA.
Het wordt aanbevolen om bij beton in contact met grond en/of grondwater een geochemisch onderzoek uit te voeren op de parameters zoals vermeld in tabel 2 van NEN-EN 206. Als de agressiviteit van het milieu zo sterk is dat milieuklasse XA3 niet meer van toepassing is, zijn er de volgende mogelijkheden:

• Pas beton toe in milieuklasse XA3, en accepteer aantasting.
• Voeg een opofferingslaag toe aan het oppervlak of gebruik een beschermende coating.

Bepalend voor de snelheid van aantasting is vooral de mate waarin het zuur wordt ververst. Het gevolg van de aantasting is dat het zuur wordt geneutraliseerd. Wil het zijn werking blijven doen, dan zal dus opnieuw vers zuur moeten worden aangevuld.

BetonLexicon, Sulfaataantasting
Betoniek 15/23, SR en VLH, nieuwe aanduidingen in de cementbenaming
Betoniek 15/13, DEF? Sulfaataantasting, Delayed Ettringite Formation (DEF) & Thaumasiet
Betoniek 3/9, Sulfaataantasting
NEN-EN 206, Beton + NEN 8005, Nederlandse invulling van NEN-EN 206
NEN-EN 197, Cement: Samenstelling, specificatie en conformiteitscriteria voor gewone cementsoorten.